Как рассчитать, достаточно ли оставшейся оптической мощности для распознавания демодулятором после ответвителя?„
При расчёте оптической мощности (OPB) в системах на основе волоконно-оптических брэгговских решёток (FBG) стандартной задачей является определение, достаточно ли оставшейся оптической мощности после прохождения через сплиттер для распознавания интеррогатором.
Поскольку датчики на основе волоконно-оптических брэгговских решёток работают в режиме отражения, оптический сигнал проходит через систему «туда и обратно». Это означает, что помимо потерь на отражение самой волоконно-оптической брэгговской решётки, все остальные потери, вызванные оптическими компонентами (включая сплиттеры, оптические кабели, разъёмы и т. д.), должны учитываться дважды.
Ниже приведён полный универсальный метод инженерных расчётов и количественный физический анализ:
1. Основная формула расчёта оптической мощности
Чтобы гарантировать, что интеррогатор может стабильно распознавать длину волны отражения волоконно-оптической брэгговской решётки, фактическая оптическая мощность, возвращаемая на приёмный конец интеррогатора, P_{\text{rec}} , должна быть выше минимальной чувствительности обнаружения интеррогатора P_{\text{min}} , плюс запас безопасности системы.
Общие потери системы L_{\text{total}} (в \text{dB} ) рассчитываются по следующей формуле:
L_{\text{total}} = 2 \times L_{\text{splitter}} + 2 \times L_{\text{fiber}} + 2 \times L_{\text{connector}} + L_{\text{FBG\_reflection}} + M_{\text{safety}}
Фактическая оптическая мощность, возвращаемая интеррогатору, P_{\text{rec}} (в \text{dBm} ), составляет:
P_{\text{rec}} = P_{\text{out}} - ( L_{\text{total}} - M_{\text{safety}} )
Критерий определения:
$$ P_{\text{rec}}
где каждая физическая переменная определяется следующим образом:
- P_{\text{out}} : одноканальная выходная мощность источника интеррогатора ( \text{dBm} ).
- P_{\text{min}} : минимальная чувствительность обнаружения приёмного конца интеррогатора ( \text{dBm} ).
- L_{\text{splitter}} : односторонние вносимые потери сплиттера (Splitter) ( \text{dB} ).
- L_{\text{fiber}} : односторонние потери при передаче по оптическому кабелю ( \text{dB} ).
- L_{\text{connector}} : односторонние вносимые потери разъёма оптического кабеля или фланца ( \text{dB} ).
- L_{\text{FBG\_reflection}} : эквивалентные потери на отражение волоконно-оптической брэгговской решётки ( \text{dB} ).
- M_{\text{safety}} : запас безопасности инженерного проекта ( \text{dB} ), обычно оставляемый в размере 3\ \text{dB} \sim 6\ \text{dB} (для компенсации изгибов оптоволокна, загрязнения разъёмов и старения компонентов).
2. Количественная оценка каждого физического параметра
(1) Односторонние вносимые потери сплиттера L_{\text{splitter}}
Для сплиттера с равномерным делением теоретические потери деления зависят от числа каналов N по формуле: L_{\text{theory}} = 10 \log_{10}(N) . В сочетании с дополнительными потерями (Excess Loss) компонента, оценка односторонних вносимых потерь для обычных сплиттеров выглядит следующим образом:
- Сплиттер 1 \times 2 : односторонние вносимые потери L_{\text{splitter}} \approx 3,5\ \text{dB} (двусторонние потери 7,0\ \text{dB} )
- Сплиттер 1 \times 4 : односторонние вносимые потери L_{\text{splitter}} \approx 7,2\ \text{dB} (двусторонние потери 14,4\ \text{dB} )
- Сплиттер 1 \times 8 : односторонние вносимые потери L_{\text{splitter}} \approx 10,5\ \text{dB} (двусторонние потери 21,0\ \text{dB} )
- Сплиттер 1 \times 16 : односторонние вносимые потери L_{\text{splitter}} \approx 13,8\ \text{dB} (двусторонние потери 27,6\ \text{dB} )
- Сплиттер 1 \times 32 : односторонние вносимые потери L_{\text{splitter}} \approx 17,2\ \text{dB} (двусторонние потери 34,4\ \text{dB} )
(2) Эквивалентные потери на отражение волоконно-оптической брэгговской решётки L_{\text{FBG\_reflection}}
Волоконно-оптическая брэгговская решётка не может отражать 100% оптического сигнала. Потери энергии, связанные с коэффициентом отражения R , рассчитываются по формуле:
L_{\text{FBG\_reflection}} = -10 \log_{10}(R)
- Если коэффициент отражения FBG составляет R = 70\% , то потери на отражение составят: L_{\text{FBG\_reflection}} = -10 \log_{10}(0,7) \approx 1,55\ \text{dB} .
- Если коэффициент отражения FBG составляет R = 20\% , то потери на отражение составят: L_{\text{FBG\_reflection}} = -10 \log_{10}(0,2) \approx 7,0\ \text{dB} .
(3) Потери на оптоволокно и разъёмы
- Потери на одномодовое оптоволокно : В диапазоне 1550\ \text{nm} , часто используемом для FBG, потери при передаче по одномодовому оптоволокну составляют около 0,2\ \text{dB/km} .
- Потери на разъём оптоволокна (фланец) : Высококачественные одномодовые разъёмы FC/APC обычно имеют односторонние вносимые потери при каждом подключении/отключении в диапазоне от 0,2\ \text{dB} до 0,5\ \text{dB} .
3. Пример инженерного расчёта
Предположим, что в реальном проекте используется следующая конфигурация:
- Интеррогатор : OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator, выходная мощность одного канала P_{\text{out}} = 3\ \text{dBm} , минимальная чувствительность обнаружения P_{\text{min}} = -65\ \text{dBm} . Допустимый общий бюджет мощности системы \text{OPB} = 3 - (-65) = 68\ \text{dB} .
- Сплиттер : используется 1 \times 8 сплиттер с равномерным делением из серии OFSCN® Optical Fiber Splitter (односторонние вносимые потери L_{\text{splitter}} \approx 10,5\ \text{dB} ).
- Датчик : на конце подключена OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings с коэффициентом отражения R = 70\% ( L_{\text{FBG\_reflection}} \approx 1,55\ \text{dB} ).
- Оптический кабель : общая длина 2 км (потери при односторонней передаче L_{\text{fiber}} = 2 \times 0,2 = 0,4\ \text{dB} ) ; посередине используется 4 высокотемпературных фланцевых соединения OFSCN® High Temperature Resistant Fiber Optic Adapter (общие односторонние вносимые потери L_{\text{connector}} = 4 \times 0,3 = 1,2\ \text{dB} ).
- Запас безопасности : установлен M_{\text{safety}} = 5\ \text{dB} .
Процесс расчёта:
- Односторонние потери на передачу и разъёмы: L_{\text{fiber}} + L_{\text{connector}} = 0,4 + 1,2 = 1,6\ \text{dB} .
- Общие потери физической цепи при двустороннем распространении (без учёта отражения и запаса безопасности): 2 \times (10,5 + 1,6) = 24,2\ \text{dB} .
- Общие потери системы (с учётом запаса безопасности):L_{\text{total}} = 24,2 + 1,55 + 5 = 30,75\ \text{dB}
- Фактическая оптическая мощность, возвращаемая интеррогатору (без учёта запаса безопасности):P_{\text{rec}} = 3 - 24,2 - 1,55 = -22,75\ \text{dBm}
Вывод расчёта:
Поскольку фактическая возвращаемая мощность P_{\text{rec}} = -22,75\ \text{dBm} значительно выше нижнего предела обнаружения интеррогатора P_{\text{min}} = -65\ \text{dBm} , и общие потери системы 30,75\ \text{dB} намного меньше допустимого бюджета оптической мощности системы в 68\ \text{dB} . Следовательно, при данной конфигурации сплиттера оставшейся оптической мощности более чем достаточно, и интеррогатор сможет обеспечить высокоточное и стабильное распознавание длины волны и сбор данных.
Рекомендуемые сопутствующие продукты OFSCN® (大成永盛)
В крупных или сложных проектах на основе волоконно-оптических брэгговских решёток сплиттеры часто используются совместно с интеррогаторами для расширения физических каналов и оптимизации структуры системы:
1. OFSCN® Optical Fiber Splitter (Оптический сплиттер)
OFSCN® Optical Fiber Splitter | Официальная ссылка
Обычно включает сплиттеры 16x32, 8x16, 4x8, 32x64. Этот компонент обычно используется с интеррогаторами Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. и может в несколько раз увеличить количество физических каналов (требуется строгий расчет распределения длин волн), тем самым снижая среднюю стоимость за канал.
2. OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator (Интеррогатор волоконно-оптических брэгговских решёток)
OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator | Официальная ссылка
Это устройство обладает чрезвычайно широким динамическим диапазоном оптической мощности и высоким разрешением по длине волны. Поддерживает настройку 4, 8, 16, 32 каналов, стандартный диапазон длин волн 1525\ \text{nm} \sim 1565\ \text{nm} , частота дискретизации 10\ \text{Hz} \sim 100\ \text{Hz} по выбору.
3. OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings (Стандартные фемтосекундные волоконно-оптические брэгговские решётки)
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings | Официальная ссылка
Технология фемтосекундной лазерной записи точка за точкой не повреждает покрытие волокна. Обеспечивает высокое качество стабильного отражения ( 20\% \sim 70\% ) и превосходное подавление боковых мод ( \ge 15\ \text{dB} ), подходит для сложных длинных линий с высокими потерями.
